Stručný průvodce prostředím s nebezpečím výbuchu

Prostředí s nebezpečím výbuchu (potenciálně výbušné atmosféry, angl. explosive atmosphere, často zkracováno na „Ex“) jsou místa, kde se ve směsi se vzduchem mohou vyskytovat hořlavé látky (plyn, pára, mlha, prach) v takové koncentraci, že při zapálení této výbušné směsi (např. jiskrou, horkým povrchem nebo samovznícením), může následovat velmi rychlý nárůst teploty a tlaku a tím dojít k výbuchu. V EU je oblast regulována směrnicí ATEX (2014/34/EU) a technické požadavky jsou definovány v řadě mezinárodních norem IEC/EN (zejména řady IEC 60079-…).

Zóny nebezpečí a jejich význam

Zóny prostředí s nebezpečím výbuchu se dělí podle četnosti/přítomnosti výbušné atmosféry na:

Zóna 0 (plyny, mlhy, páry) / 20 (prachy): nebezpečná atmosféra přítomna trvale nebo po dlouhou dobu.
Zóna 1 / 21: občasná přítomnost během normálního provozu.
Zóna 2 / 22: výbušná atmosféra se vyskytuje zřídka a na krátkou dobu.

Rozdělení zóny určí, jaký typ ochrany přístroje (kategorie dle ATEX nebo IEC) je potřeba.

Typy ochran snímačů pro Ex oblasti

Existuje mnoho typů ochrany používaných u přístrojů pro Ex oblasti – volba záleží na zóně, typu nebezpečí (plyn nebo prach), jeho skupině a na požadovaném stupni krytí. V našem oboru měření a regulace jsou nejčastější následující:

Jiskrová bezpečnost, angl. Intrinsically Safe (Ex i / Ex ia, Ex ib…) — pro plyny a prachy do zón až 0/20, omezuje energii (napětí, proud, kapacita, indukčnost) tak, aby v obvodu nemohlo vzniknout množství potřebné k zapálení. Vyžaduje často oddělovač v bezpečné oblasti nebo schválené limitní I/O parametry.
Pevný závěr, angl. Flameproof / Explosion-proof (Ex d) — pro plyny do zón až 1 – robustní pouzdro odolné proti vnitřní explozi, v případě exploze v pouzdře nedochází k rozšíření do okolí.
Ochrana závěrem, angl. Protection by Enclosure (Ex t / Ex ta, Ex tb…) — pro prachy do zóny až 21, zabraňuje výbuchu pomocí krytu.

Požadavky na snímače — co musí splňovat

Při výběru či návrhu snímače pro Ex prostředí je třeba ověřit a zajistit následující body:

Certifikace a označení — přístroj musí být schválen pro použití v příslušné zóně a musí mít jasné označení (např. CE/Ex označení, ATEX kategorie, IECEx certifikát). Certifikace zahrnuje skupinu plynů nebo prachu (I, IIA, IIB, IIC) a teplotní třídu (T1–T6).
Limitní parametry – u jiskrově bezpečných zařízení jsou dány limity (Ui, Ii, Ci, Li) které musí respektovat připojený obvod a bezpečnostní bariéry. Dokumentace musí obsahovat limitní parametry a schéma zapojení.
Teplotní třída (Tx) – snímač nesmí mít povrchovou teplotu, která by překročila bod vznícení okolní směsi; proto se přidává teplotní třída (např. T4 = max. povrchová teplota 135 °C). Zohlednit je třeba i provozní rozsahy (mrazy, vyšší teploty).
Mechanická odolnost a krytí (IP) – je důležité krytí proti pronikání prachu a vody; u prachu se řeší i ochrana proti usazování prachových vrstev. Zkontrolujte IP kód a konstrukci vhodnou pro danou zónu.
Komunikace a napájení — u Ex oblastí se často používají 2-drátové jiskrově bezpečené smyčky 4–20 mA s HART. Bezpečné oddělení od výkonných obvodů a použití schválených převodníků/bariér je nutné.
Teplotní třídy a povolená okolní teplota – snímače nesmí mít povrchovou teplotu, která by překročila bod vznícení okolní směsi; proto se přidává teplotní třída (např. T4 = 135 °C). Zohlednit je třeba i provozní rozsahy (mrazy, vyšší teploty).

Jak číst označení Ex na výrobku

1) Skupina zařízení:

I … Důlní plyny;
II … Ostatní plyny/prachy

2) Kategorie zařízení:

Instalace v dané zóně
1 … zóna 0; 2 … zóna 1; 3 …zóna 2
Instalace v bezpečném prostředí, přenos/příjem signálů z dané zóny
(1) … zóna 0; (2) … zóna 1; (3) …zóna 2
G … plyny; D … prachy

3) Druh a úroveň ochrany zařízení:

Ex ia … jiskrová bezpečnost; Ex d … pevný závěr; Ex t … ochrana závěrem
Ga/Gb/Gc … plyny v zóně 0/1/2; Da/Db/Dc … prachy v zóně 20/21/22

4) Skupina plynů/prachů:

I … důlní plyny
IIA … Povrchový methan, propan, benzín, …
IIB … Ethylen, svítiplyn, koksárenský plyn
IIC … Vodík, acetylen, sirouhlík
IIIA … Hořlavé vláknité prachy
IIIB … Ostatní nevodivé hořlavé prachy
IIIC … Vodivé hořlavé prachy

5) Maximální povrchová teplota zařízení:

T1 = 450 °C; T2 = 300 °C; T3 = 200 °C; T4 = 135 °C; T5 = 100 °C; T6 = 85 °C

Jiskrově bezpečné oddělovače a bariéry

Jde o nezbytné součásti jiskrově bezpečných elektrických obvodů v prostředí s nebezpečím výbuchu – jiskrově bezpečné oddělovací bariéry oddělují vstupní nebo výstupní obvody zařízení umístěných mimo Ex zónu od snímačů nebo akčních členů umístěných v prostředí s nebezpečím výbuchu.

Princip jiskrově bezpečných obvodů spočívá v omezení elektrické energie a její akumulace v zařízení a na propojovacím vedení. Úroveň energie případného výboje musí být nižší, než je úroveň, která by mohla způsobit vznícení okolní atmosféry nebo prachu jiskřením nebo tepelnými účinky. Zajištění bezpečnosti tak spočívá ve vhodném zapojení elektrických obvodů, ve výběru součástí a v jejich vhodném konstrukčním uspořádání.

Při aplikaci je třeba vždy bedlivě posoudit a zdokumentovat všechny parametry udávané výrobcem a porovnat je s podmínkami, za kterých bude bariéra použita. Vlastní instalaci pak smí provádět pouze osoba s patřičným oprávněním.

Použití jiskrově bezpečných oddělovačů má oproti samotným bariérám bez galvanického oddělení výhodu v tom, že odstraňuje komplikace při realizaci jiskrově bezpečných elektrických obvodů. V některých případech, např. v prostředí se silným magnetickým rušením nebo bez možnosti uzemnění, je použití oddělovacích bariér nezbytné.

Příklad aplikace

Měření teploty v prostředí SNV zóna 0 s přenosem signálu do zóny bez nebezpečí výbuchu při použití ochrany jiskrovou bezpečností s úrovní ia, skupina výbušnosti IIC

Výběr zařízení

Snímač teploty ModuTEMP – T1070 06 J63 H5 S2 EI
(Ex) II 1/2G Ex ia IIC T6…Tx°C Ga/Gb
Odkaz
Univerzální převodník PR 5337 D namontovaný v hlavici snímače teploty na přírubce měřicí vložky
(Ex) II 1 G Ex ia IIC T6 ...T4 Ga
Odkaz
Oddělovač PR 9106 B1
(Ex) II (1) G [Ex ia Ga] IIC/IIB/IIA
Odkaz

Postup návrhu aplikace

Provedení výběru vhodných zařízení.
Ověření potřebné úrovně jiskrově bezpečného systému (je určena podle nejnižší úrovně použitých zařízení) a potřebné skupiny výbušnosti (je určena nejméně citlivou skupinou použitých zařízení).
Stanovení teplotního zatřídění jiskrově bezpečného zařízení, které může záviset na proudových a výkonových parametrech připojeného zdroje, teplotě média a okolí.
Provedení kontroly napětí, proudu a výkonu přístrojů dle pravidla, že mezní výstupní parametry jednoho zařízení nesmí být větší než mezní vstupní parametry druhého zařízení (U_O ≤ U_I, I_O ≤ I_I, P_O ≤ P_I).
Výpočet maximální dovolené kapacity a indukčnosti kabelu: C_C = C_O - C_I , L_C= L_O - L_I.
Stanovení oteplení snímače teploty dle technické specifikace, které je závislé na provozních podmínkách (teplota okolí, atd.).
Další informace viz návody k jednotlivých přístrojům, normy ČSN EN 60079-11, ČSN EN 60079-14, ČSN EN 60079-25, ČSN EN 60079-26 a Nařízení vlády č. 190/2022 Sb.

Nevíte si jistě rady s výběrem vhodného snímače do prostředí s nebezpečím výbuchu? Pomůžeme vám s návrhem řešení přesně podle zóny, typu média i požadovaných měřených veličin. Na základě vašeho zadání navrhneme optimální kombinaci technologie, ochrany a certifikace tak, aby zařízení splňovalo všechny požadavky pro bezpečnost i přesnost měření.